中國灌溉水資源利用效率的空間差異分析

操信春，楊陳玉，何 鑫，施慧丹，束 銳，鄭雅蓮，王振昌，郭相平

(河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，河海大學水利水電學院，南京 210098)

灌區覆蓋中國50%以上的耕地面積，利用了絕大部分農業用水的同時生產了近3/4的糧食[1]，是水資源高效利用和糧食安全生產核心。由于灌溉可以明顯增加作物產量，在耕地面積受限的情況下發展灌溉將是促進糧食增長重要措施。然而隨著社會經濟發展與城鎮化推進，其他部門對水資源需求加大使得農業用水投入不可能大幅增加。科學評價灌溉水資源利用效率并分析其空間差異對實現農業可持續發展有重要意義。自Israelsen[2]提出灌溉效率定義以來，灌溉水資源利用效率一直是研究的熱點。農業生產用水效率評價指標可分為灌溉效率和水分生產率兩大類[3]。前者描述水資源有效利用程度而后者揭示水資源投入能獲得的糧食產出能力。由于農業生產中水分運移過程的復雜性，不同視角和尺度下灌溉效率和水分生產率指標可能存在差異[4]。當前灌溉水資源利用效率評價的研究內容主要集中包括不同用水效率評價指標的構建及意義[5-7]、灌溉效率指標的空間格局及影響因素[8,9]、不同水分生產率指標的核算及其尺度效應[10,11]、不同研究對象水資源利用效率指標的核算方法等[12-14]。中國典型灌區灌溉水資源有效利用率和水分生產率及其空間分布格局也是學者關注的熱點[15-17]。針對中國灌區用水和糧食生產狀況，在建立灌溉效率和水分生產基礎上聯合二者分析中國灌溉水資源利用效率的空間分布格局。以期在擴展農業水資源利用效率評價理論與方法同時為區域灌溉用水管理提供參考。

1 方法與數據

1.1 水資源利用效率指標

農業水資源利用量來源于灌溉和天然降水，為了剔除降水的作用而只分析灌溉水資源利用效率，通過如下公式來計算灌溉效率IE與水分生產率WP指標：

IE=ETb/WUb

(1)

WP=(YI-YR)/ETb

(2)

式中：ETb為灌溉水田間蒸散量，m3/hm2；WUb為單位面積灌溉用水量，也是因灌溉而增加的水資源投入量，m3/hm2；YI為灌區(灌溉農田)糧食單位面積產量，kg/hm2，YI-YR即為因為灌溉而增加的糧食產出量；YR為雨養農田糧食作物單位面積產量，kg/hm2。

由指標計算過程可知，IE衡量灌溉水資源的有效利用程度，是灌溉工程建設和管理水平評價的依據；而WP揭示了灌溉水資源投入對糧食產出的真實效益。針對灌溉用水，兩個指標從不同方面衡量了特定灌溉過程中的水資源利用效率。

1.2 空間自相關分析方法

空間自相關是對地理屬性的空間分布特征進行定量描述的地統計學方法，其包括全局空間自相關和局部空間自相關[12]。全局空間自相關對地理屬性在整個區域空間的總體分布特征進行的描述，判斷此屬性值在空間上是否存在聚集特性。通過對全局空間自相關統計量全局Moran's I的估計來分析地理屬性的總體空間關聯程度：若Moran's I顯著為正，則表示該屬性值相當的省區在空間聚集；若Moran's I顯著為負，則表示總體上各省區與其周邊地區屬性值差異較大[12]。局部空間自相關用以測度局部區域單元地理屬性值的空間異質性，推算出聚集地的空間位置、范圍及其變化情況，并以LISA聚集圖的形式形象表征[12]。與全國平均水平相比，可以判斷出一個省區屬性值在總體中所處的水平。某一特定省區局部空間自相關結果可能為4種情況：HH表示某一省區和周圍省區的地理屬性值都較高；LH表示該省區值較低而其周圍省區較高；HL表示該省區值高而周圍省區較低；LL表示該省區和周圍省區值都較低。

1.3 數據來源與處理

全國范圍內選取的459個典型灌區和各省區的統計資料為灌溉、水資源、糧食相關數據獲取來源。灌區灌溉效率、糧食灌溉單產以及單位面積灌溉用水量來自中國大型灌區網站及部分的灌區管理局；省級行政區的灌溉效率、糧食灌溉單產以及單位面積灌溉用水量由該省內各灌區的計算結果通過對灌區有效灌溉面積加權得到。各省區耕地面積、糧食播種、糧食總產量、有效灌溉面積收集于《中國統計年鑒》和部分地區的統計年鑒。雨養面積單產由各地區糧食總產量、灌溉單產以及灌溉面積比例求得[1]。

2 結果及分析

2.1 中國灌溉水資源利用效率

3個代表年灌溉效率的全國平均值分別約為0.420、0.444及0.492，而水分生產率的值為0.944、1.131和1.249 kg/m3，均呈隨時間增長趨勢。計算出省級行政區不同年份的灌溉效率和水分生產率值，如圖1所示。同時，表1給出了不同年份及各水分生產率指標省區間的最大、最小、平均值以及標準差和變異系數等統計量，以描述和比較二者空間分散程度及其隨時間變化情況。

圖1 不同年份省級行政區水資源利用效率指標Fig.1 Provincial irrigation efficiency and water productivity in China

圖2(a)顯示，除個別省區的個別年份外，省區尺度灌溉效率呈現較為一致的增加態勢，這也與中國近年農業用水基本保持恒定而灌溉面積穩定擴大的現實相吻合。經濟相對發達的直轄市和東北、長江中下游省區的增長幅度較大，而西北、西南和華南部分省區增幅較小。從年均情況來看：北京灌溉效率最高，達0.608，也是唯一超過0.600的省級行政區；灌溉效率介于0.500～0.600之間的省區包括西藏、甘肅、天津、遼寧、吉林、陜西、江蘇、云南和上海；此外，還有6個省區的灌溉效率大于全國值的0.452(表1)，分別是山東(0.497)、黑龍江(0.477)、新疆(0.461)、四川(0.458)、浙江(0.457)和安徽(0.455)。15個灌溉效率低于全國值的省區中，寧夏、江西、廣西及內蒙古四省區僅分別為0.397、0.391、0.383和0.348，均不足0.400，為中國灌溉水資源有效利用比率最低的省區。

水分生產率方面，雖然大部分省區也表現為隨時間增長，但是省區間變化規律的一致性不強，較多省區在不同年份出現較大波動。這是因為水分生產率同時與糧食產量和灌溉水資源的田間消耗量有關，前者雖然在年際年比較穩定，但是田間灌溉水蒸散量受降水頻率和水資源等多種因素影響，而這些因素在不同年份有可能出現較大波動。

表1 灌溉水資源利用效率指標的主要統計量Tab.1 Main statistics of irrigation efficiency and water productivity in typical years

水分生產率的全國值由1998年的0.944 kg/m3穩步增長到2010年的1.249 kg/m3，得主要得益于中國灌區糧食單產水平的提升。水分生產率代表年的平均值為1.108 kg/m3，省區值在0.523～2.080 kg/m3之間變化，最大值和最小值分別出現在河北和海南；除河北外，河南省的水分生產率也在2.000 kg/m3之上，為2.033 kg/m3；陜西、山西和山東的該指標值均較大，介于1.800～2.000 kg/m3之間，其余省區均不足1.600 kg/m3；另外9個省區在全國之上，包括湖北、內蒙古、四川、寧夏、安徽、西藏、北京、江西以及重慶；17個省區的水分生產率在全國均值以下，且僅有甘肅在1.000 kg/m3之上；上海、廣東、吉林及海南四省區灌溉水的凈產出能力較小，均不足0.600 kg/m3，其中最低的海南僅為0.523 kg/m3。在從表1還可以看出，灌溉效率與水分生產率的最大值、最小值、平均值、標準差以及變異系數均隨時間增大，這說明全國范圍內灌溉水資源利用效率隨時間提升的同時區域間差距也在逐步拉大。同時，對比二者的變異系數可知，灌溉效率與為0.129，明顯低于水分生產率的0.432；可見，不同灌溉水資源利用效率指標的省區間差距相差較大，后者明顯大于前者。

2.2 灌溉水資源利用效率指標空間分布格局

表2給出了不同年份灌區灌溉效率和水分生產全局Moran's I估計值及檢驗。表中顯示，代表年二者的全局Moran's I的估計值均大于零，同時對應的正態統計量(Z-Score)也均大于正態分布函數在概率為0.05時臨界值的1.96，即均通過了顯著性檢驗。說明代表年中國灌區的灌溉效率和水分生產率在省區間存在正自相關關系，整體表現出相似大小灌溉水資源利用效率指標在空間顯著聚集現象。灌區灌溉水資源利用效率指標不僅與氣候、作物種類、土壤等自然條件影響，也與灌溉發展水平、作物產量、資料投入等經濟社會條件有關，這些因素在地理上均能表現出類似現象的靠近特征，這是類似水平灌溉水資源利用效率指標的省區在地理上聚集的重要原因。

表2 灌溉用水效率評價指標的全局Moran's I及檢驗Tab.2 Global Moran's I test for IE and WP of 1998, 2005 and 2010

由表2還可以看出，不同年份灌溉效率的全局Moran's I與Z-Score均明顯小于水分生產率(P-value自然相反)，說明后者的空間聚集程度強于前者。水分生產率除了與灌溉設施保障程度有關外，也受到人為生產活動的影響，也就是說，農業生產活動加強了灌溉水資源利用效率指標空間聚集特性。計算出各省區的局部Moran'sI估計值，對局部空間自相關屬性進行判斷，并采用LISA指數來揭示灌溉水資源利用效率指標局部空間分布特征。由于各省區在不同年份的局部空間自相關屬性無明顯變化，故采用二者LISA屬性年均情況來對比局部空間格局的差異。各省灌區灌溉效率與水分生產率指標的LISA聚集圖如圖2所示。

圖2 灌溉效率與水分生產率指標的LISA聚集圖Fig.2 LISA cluster map of IE and WP in China during 1998-2010

圖2顯示，各省區灌溉效率與水分生產率局部空間自相關屬性有類似之處，但也存在明顯的差別。二者均在西部出現較多的LL省區而在東部存在大量的HH省區。長江以北至黃河下游省區是二者HH省區聚集明顯的地區；而由西北至青藏高原則集中分布了局部空間屬性表現為LL的省區。灌溉效率的LISA屬性的3個類型HH、LH及LL省區呈現出較為明顯的東-中-西部分塊(帶)分布的態勢。這與中國經濟發展程度的空間格局基本吻合，說明農業水利的投入能力與建設效果存在一致性。而水分生產率的局部空間分布屬性呈現HH與LL省區東、西部分隔明顯的特征。這可能與農業生產過程和管理水平同時決定水分生產率的局部空間分布格局有關。具體來看，各省區灌溉效率的LISA屬性基本為HH(10個)、LH(10個)和LL(8個)，LH省區個數較多說明空間分布與相互影響的關系較為復雜。對于水分生產率而言，HH與LL省區占據了絕大部分，HL與LH省區分別為4個和5個，且主要位于華北平原與長江中下游的江西、湖南等地。華北直轄市是東北糧食主產區與黃淮海平原糧食主產區的過渡地帶，由于糧食生產規模小，水分生產率的局部空間屬性受東北與黃淮海平原的綜合影響，使得其表現為非正相關；而江西、湖南、貴州一帶與同時受黃淮海糧食主產區與東南經濟發達省區輻射，出現比較復雜的局部空間分布特征也在情理之中。

2.3 灌溉效率與水分生產率之間關系分析

灌溉效率與水分生產率從不角度衡量了灌溉水資源的利用效率，二者數據獲取來源于所表達的意義均有所差別。了解二者在空間分布上的一致性對于刻畫灌溉水資源利用效率空間上的相對大小關系有直接的幫助。畫出不同年份灌溉效率與水分生產率之間的散點圖，以觀察二者之間可能的統計關系，如圖3所示。

圖3 不同時間灌溉效率與水分生產率之間散點圖Fig.3 Scatter diagrams between irrigation efficiency and water productivity

圖4 各省區灌溉用水效率與耕地灌溉率Fig.4 Provincial water use efficiency and the irrigation rate in 1998-2010

從圖3可以看出，不同年份(包括年平均情況)二者之間關系非常散亂，基本上不呈現可直觀描述出的統計關系。作為不同角度的評價指標，二者在衡量灌溉水資源利用效率空間差異的功能上相互不可替代。在比較省區間灌溉水資源的利用效率時，同時考慮二者的表現是有必要的。由于灌溉效率和水分生產率均是有明確物理含義的指標，因此在此試圖探尋融合二者以得到同時能夠包含水資源有效利用程度和作物產出增加程度的指標。灌溉效率或水分生產率值越大均意味著灌溉水資源利用效率越高，因而在此考慮將二者的乘積用來綜合描述灌溉水資源利用效率指標，并命名為灌溉用水效率(IWE)。由式(1)和(2)可知，灌溉用水效率實際上反映的是單位灌溉用水量所能得到糧食凈產出量(kg/m3)，根據計算過程和量綱可知其仍屬于水分生產率的范疇[6]。研究年份灌溉用水效率值分別為0.396、0.502及0.615 kg/m3，呈較為明顯的增長態勢。各省級行政區的灌溉用水效率的年均值如圖4所示。省區間灌溉用水效率差異較大，較高的省區主要位于華北、長江中下游及西北地區，而灌溉用水效率較低的省區集中在東北和華南地區。年平均情況看，僅有12個省區的灌溉用水效率值在全國均值的0.501 kg/m3，其中陜西、山東、河北及河南四省值超過了0.800 kg/m3，為中國灌溉水資源綜合利用效率最高的地區；北京、山西、西藏和湖北、四川、安徽分別位于0.700和0.600 kg/m3檔次，此外甘肅和寧夏也大于全國值；灌溉用水效率低于全國值的省區中，重慶、內蒙古、江西、天津、云南、湖南、江蘇及青海較大，其余均不足0.400 kg/m3；位于華南地區的廣西、廣東和海南的灌溉用水效率處于國家最末位置，僅分別為0.251、0.229及0.228 kg/m3。

灌溉用水效率涵蓋了灌溉效率和灌溉水資源真實水分生產率，鑒于灌溉可以明顯增加糧食產量，因此能夠用來判別一個地區是否適合發展灌溉以在保障國家糧食安全中起積極作用。在不考慮其他因素前提下，可以認為灌溉用水效率高的地區相對適合發展灌溉，反正，在灌溉用水效率低的地區發展灌溉不利于水資源的高效利用。耕地灌溉率，即有效灌溉面積占耕地總面積的比例，可以反映一個區域灌溉的發展程度，因此在圖中還畫出了各省區的耕地灌溉率，以觀察其與灌溉用水效率的耦合程度。圖4顯示，不少省區存在灌溉用水效率和耕地灌溉率出現錯位的現象。如天津、上海、江蘇、浙江、福建、湖南以及新疆等省區的耕地灌溉率較大，均在60%以上，然而灌溉用水效率處于較低位置。提高灌溉用水效率可以大幅減少農業生產水資源投入。而這些省區大部分是經濟較為發達的地區，減少農業用水投入也可為保障其他產業健康可持續發展提供水資源支持。另一方面，部分西北干旱區如陜西、山西、甘肅等，灌溉用水效率較高，但由于受水資源限制，耕地灌溉設施的覆蓋程度較低，僅為30%左右，這些省區可以考慮利用區域外部水資源用于灌溉面積擴展，以保證農業生產的順利進行和灌溉用水效率的正常發揮。

3 結 語

(1)針對灌溉水資源利用，灌溉效率與水分生產率能夠分別反映其有效利用比例和真實糧食產出能力。全國及各省級行政區的灌區灌溉效率與水分生產率均呈現隨時間增長的趨勢，分別由1998年的0.420與0.944 kg/m3增加到2010年的0.492與1.249 kg/m3，意味著農業用水狀況正在逐步全面改善。然而，與此同時二者的區域間差距也在被拉大，灌溉用水效率的區域間不平衡性正在加劇。

(2)由于與灌溉所發生區域的氣象、水文、土地類型、作物種植種類、農業生產水平等因素有關，利用地統計學方法研究發現，水分生產率在空間上呈顯著的聚集現象，高值區主要分布于黃淮海平原，低值省區則集中于東北地區和華南地區，且在時間上總體分布格局和局部差異狀況隨時間變化不大。而灌溉效率受當地社會經濟條件作用明顯，其在空間上無明顯的分布規律。

(3)灌溉效率與水分生產率二者在表現灌溉水資源利用狀況的空間相對優劣上相互不可替代，但可以統一為灌溉用水效率指標，并以此作為區域是鼓勵得發展的依據。灌溉用水效率在華北糧食主產區較高而東北和南方大部分地區較低。發達省市的灌溉用水效率高而耕地灌溉比例較低，而西北部分干旱省份相反，各地方可根據灌溉用水效率和耕地灌溉率的表現指導相應的灌溉和水資源利用策略。

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